【文章內(nèi)容簡介】 鏈接)和ControllerLink(控制器鏈接)，控制層網(wǎng)絡的特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其他設備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通信。最底層網(wǎng)絡為設備層，它們有SYSBUS(遠程I/O系統(tǒng))、Compo bus/D (Device Net)、Compo bus/S(設備網(wǎng))、ProfibusDP、Modbus等，這一層用于PLC連接方便，并能起到省配線的作用，成本低廉。第二、第三層網(wǎng)絡習慣上稱為現(xiàn)場總線[8]。 中央控制室及上位機監(jiān)控系統(tǒng) PLC聯(lián)動控制PLC聯(lián)動控制又叫中心控制室，主要由工業(yè)控制計算機、網(wǎng)絡服務器、無線電臺、輸入/輸出設備等組成。工程監(jiān)控層以上位機組為核心，一般設置三臺SCADA工作站(工控機)，其中一臺為工程師專用計算機，以流行的SCADA軟件作為系統(tǒng)控制軟件，內(nèi)部集成VBA，可離線或在線對整個監(jiān)控系統(tǒng)進行組態(tài)、參數(shù)修改、開發(fā)等。另外兩臺計算機為操作員計算機，可通過工控軟件實時監(jiān)視全廠工藝參數(shù)變化，設備運行、故障發(fā)生等情況，并進行多種模式操作，同時負責日常報表打印、事故打印和數(shù)據(jù)記錄等。兩臺操作站的監(jiān)控系統(tǒng)互為冗余。三臺工作站插入通用計算機以太網(wǎng)卡，與服務器一起連接到以太網(wǎng)，可以讀取和寫入網(wǎng)絡上PLC的任意一個接點的數(shù)據(jù)存儲器。中央控制室可調(diào)用各現(xiàn)場站的全部運行信息，在中央控制室可控制現(xiàn)場主要設備的啟動和停止[9]。上位機監(jiān)控軟件具體實現(xiàn)有以下功能[17]。(1)控制操作 在中控室可對被控設備進行控制(如啟動或停止各類泵、電機、曝氣機、電動閥等)，對各現(xiàn)場控制站的PLC的參數(shù)進行設定和修改，具有良好的人機界面，可方便地進行圖形間的切換和各種功能的調(diào)用。設立不同的安全操作等級，針對不同的操作者，設置相應的加密等級，記錄操作員及其操作信息。(2)顯示功能 實時顯示某參數(shù)值，使參數(shù)的變化過程一目了然。對全廠工藝過程、工藝參數(shù)、設備狀態(tài)等動態(tài)顯示。數(shù)據(jù)處理及管理：記錄并顯示工藝參數(shù)、電量參數(shù)的變化曲線或趨勢圖，利用在線數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計、計算、顯示。(3)報警功能 當某一參數(shù)異?；蛟O備故障時，可根據(jù)不同的報警類別，發(fā)出聲光報警、屏幕報警、輸入報警表、打印輸出或播放事先錄制的語音提示，同時顯示相應的提示信息，并記錄在報警數(shù)據(jù)庫中，且可分等級。(4)報表功能 分成年度、季度、月度、日班報表及運行參數(shù)報表(如污水處理量、耗電量等)。(5)登錄 用戶權(quán)限及身份的等級 上位機監(jiān)控系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)是指在廠區(qū)的中心控制室對全廠的設備和工藝運行情況進行監(jiān)控，它是通過通訊系統(tǒng)采集到系統(tǒng)內(nèi)各個站點的設備工作狀態(tài)和各種與調(diào)度、控制有關(guān)的工藝參數(shù)，根據(jù)整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)情況，進行統(tǒng)一調(diào)配、控制。上位監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控計算機、上位監(jiān)控軟件、模擬屏、電視墻、網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)、不間斷電源及打印機等。 中心控制室4 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件設計 監(jiān)控系統(tǒng)的含義及發(fā)展狀況計算機檢測控制系統(tǒng)(簡稱計算機監(jiān)控系統(tǒng))是指具有數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制功能的計算機系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，計算機直接參與被監(jiān)控對象的檢測、監(jiān)督和控制，加上檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)，與被檢測控制的對象(生產(chǎn)過程)共同構(gòu)成一個整體。自1956年美國首先研究了用于軍事上測試項目的計算機監(jiān)控系統(tǒng)之后，經(jīng)歷了集中式監(jiān)控系統(tǒng)、微型計算機監(jiān)控系統(tǒng)、分層分散監(jiān)控系統(tǒng)、開放式監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)的發(fā)展。SCADA是具有代表性的系統(tǒng)，發(fā)展過程與數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡的發(fā)展過程類似且密切相關(guān)，可以大致歸納為三個階段：20世紀70年代前，第一代集中式監(jiān)控系統(tǒng)，從網(wǎng)絡的發(fā)展看，這期間叫網(wǎng)絡的第一步，即遠程聯(lián)機系統(tǒng)階段；70~80年代中期是第二代微型計算機監(jiān)控系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)還是集中式的；80年代中期至今是第三代分層分散型監(jiān)控系統(tǒng)(DCS和SCADA)[18]。此時，不同的監(jiān)控系統(tǒng)之間不能直接互通信息，不滿足或不完全符合開放系統(tǒng)標準；隨著網(wǎng)絡技術(shù)應用的迅速發(fā)展，有的系統(tǒng)采用符合TCP/IP的Ethernet、DECnet局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)?？梢哉f第四代的開放式SCADA系統(tǒng)已經(jīng)問世。近幾年來，我國新建城市污水處理廠為保證污水處理過程的安全性、可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性，控制系統(tǒng)采用目前國內(nèi)外污水處理廠廣泛應用并取得良好效果的基于PLC的集散型的控制系統(tǒng)及SCADA系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過現(xiàn)場檢測儀表和網(wǎng)絡設備完成對主要工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集并對生產(chǎn)流程進行監(jiān)控。污水處理流程中的各檢測儀表均為在線式智能儀表，變送器均帶有數(shù)字顯示裝置并通過PLC接口傳送標準的模擬、數(shù)字信號。 監(jiān)控系統(tǒng)的特點 計算機監(jiān)控系統(tǒng)能將分散在工藝流程上各控制點的檢測數(shù)據(jù)處理后作為PLC控制的依據(jù)，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)作為計算機選擇運行模式的依據(jù)，實現(xiàn)PLC對各設備有效、自動的控制。通過計算機實現(xiàn)對全廠運行情況有序、集中的管理，保證操作人員對整個系統(tǒng)的監(jiān)控。歸納起來計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有如下特點：實時性、可靠性、可維護性、過程數(shù)據(jù)自動采集處理、人機交互、通信功能、管理功能、自動報警、自動校正、信息處理和控制算法、自動運行、自動控制、自動調(diào)度決策[10]。 監(jiān)控系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)計算機直接參與生產(chǎn)過程的檢測、監(jiān)督和控制，具體有下述3方面功能。采集與處理功能 主要是對生產(chǎn)過程的參數(shù)進行檢測、采樣和必要的預處理，并以一定的形式輸出、為生產(chǎn)人員提供詳實的數(shù)據(jù)，以便于分析、了解生產(chǎn)情況，監(jiān)視生產(chǎn)過程的進行。監(jiān)督功能 將檢測的實時數(shù)據(jù)、人工輸入的數(shù)據(jù)等信息進行分析、歸納、整理、計算等二次加工，并制成實時和歷史數(shù)據(jù)庫加以儲存。監(jiān)督系統(tǒng)的輸出一般都不直接用于生產(chǎn)過程，而是經(jīng)過生產(chǎn)人員的判斷后再由操作人員對生產(chǎn)過程進行干預?？刂乒δ? 在檢測的基礎上進行信息加工，根據(jù)事先決定的控制策略形成控制輸出，直接作用于生產(chǎn)過程。完整的計算機監(jiān)測控制系統(tǒng)是上述三種功能的綜合集成。 組態(tài)軟件的特點所謂組態(tài)軟件，是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們基于自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法。其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O設備；與高可靠性的工業(yè)控制計算機和網(wǎng)絡系統(tǒng)相結(jié)合，可向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進行系統(tǒng)集成。組態(tài)軟件支持各種工控設備和常見的通信協(xié)議，并且提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡功能。通用組態(tài)軟件主要特點有以下3項[19]。延續(xù)性和可擴充性 用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應用程序，當現(xiàn)場(包括硬件設備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu))或用戶需求發(fā)生改變時，不需做很多修改而方便地完成軟件的更新和升級。封裝性 通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶不需要掌握太多的編程語言技術(shù)，就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能。通用性 每個用戶根據(jù)工程實際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設備(PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等)的I/O Driver、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡功能的工程，不受行業(yè)限制。 組態(tài)軟件界面 上位機組態(tài)軟件設計 系統(tǒng)軟件總體機構(gòu)水廠監(jiān)控系統(tǒng)作為污水處理工藝控制的可視化平臺，需要在遠離現(xiàn)場的水廠控制室對整體水廠系統(tǒng)的各個設備狀態(tài)進行監(jiān)控，逼真地反映出水廠設備的真實運行狀態(tài)和現(xiàn)場工作狀態(tài)，這就要求本監(jiān)控軟件具有良好的圖形監(jiān)控畫面，清晰的結(jié)構(gòu)，豐富強大的圖形控制界面，從而能夠達到再現(xiàn)水廠現(xiàn)場實況，為水廠的管理人員提供簡單方便的操作的效果。監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端能通過網(wǎng)絡編程接口從服務器讀取參數(shù)，在平臺下將參數(shù)及其動態(tài)模擬圖顯示在用作客戶端的 PC 機上，并根據(jù)需要進行修改調(diào)整。根據(jù)水廠工藝工程師的需求，水廠的監(jiān)控軟件應設計成具有友好的人機界面和強大的二次開發(fā)能力，其人機界面不再是單一的文字，而是文字和圖形的綜合處理，除了具有菜單式的操作方法外，還要采用圖形化、儀表化的操作界面，反映水廠處理現(xiàn)場的數(shù)據(jù)變化，在相應位置放置各種現(xiàn)場對象的模擬對象，將相應的實時數(shù)據(jù)與模擬對象相關(guān)聯(lián)，并提供運行參數(shù)設置、報警等常用過程控制中的監(jiān)控手段。 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端軟件功能模塊化分框圖 系統(tǒng)總貌界面該界面的設計是為了管理和操作人員提供一個良好的系統(tǒng)監(jiān)視界面。它可以顯示進水數(shù)據(jù)，處理過程數(shù)據(jù)及其他重要相關(guān)參數(shù)。界面如圖所示。 系統(tǒng)總貌界面是按照工藝流程順序進行設計，分別顯示流程中各構(gòu)筑物的信息以及污水、污泥、氣路方向。界面上方為分界面按鈕，實現(xiàn)主從界面切換，單擊可以查看某一部分的具體信息。右上方顯示的為當前時間。界面中間部分為主體，可以直觀的了解系統(tǒng)實時狀態(tài)。設計中，將一些重要的參數(shù)信息顯示在相關(guān)構(gòu)筑物旁邊，使得信息顯示更加直觀。界面中右下角為注釋，來解釋界面中的相關(guān)信息。左下角設有系統(tǒng)故障報警燈，當系統(tǒng)任何部分出現(xiàn)異常時，可以提醒管理人員。 粗細格柵界面粗格柵的主要作用是去除污水中的大塊漂浮物。格柵的液位控制是根據(jù)柵前的液位來進行格柵電機的啟?？刂?，有上位機操作人員對格柵啟動液位值和停機液位值進行設置，可以隨意修改，但是限定啟動值必須大于停機值[20]。細格柵用于攔截污水中的大量細小的漂浮物。對于細格柵可通過現(xiàn)場控制柜實現(xiàn)手動控制，也可進行遠程控制啟、停。由于細格柵的柵間距比粗格柵小得多，可參照粗格柵的運行情況，對其參數(shù)進行適當?shù)男薷摹?粗細格柵界面該界面主要顯示粗、細格柵的詳細信息，包括格柵水位高度、流速。相關(guān)的PH值、COD值信息設計在實時曲線界面。界面右上方為當前時間，以及故障、水位報警燈。左側(cè)設置了格柵除污機的開關(guān)，以控制除污機對格柵進行除污操作。該系統(tǒng)為模擬污水處理監(jiān)控系統(tǒng)，沒有實際的下位機連接，在I/O設備組態(tài)中選擇的“力控驅(qū)動仿真SIMULATER” 選項。如圖所示。 I/O組態(tài)設備在力控的實時數(shù)據(jù)庫中，一個基本的數(shù)據(jù)對象為“點”。一個點由若干參數(shù)組成，一個點參數(shù)對應一個客觀世界中的可被測量或控制的對象。模擬I/O點，輸入和輸出量為模擬量，可完成輸入信號量程變換、報警檢查、輸出限值等功能?；緟?shù)，模擬I/O點的基本參數(shù)頁中的各項用來定義模擬I/O點的基本特征。對于測量值（即PV參數(shù)）有三種數(shù)據(jù)連接可供選擇：I/O設備、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫和內(nèi)部鏈接。歷史參數(shù)，模擬I/O點的歷史參數(shù)頁中的各項用來確定模擬I/O點哪些參數(shù)進行歷史數(shù)據(jù)保存，以及保存方式及其相關(guān)參數(shù)。模擬I/O點的報警參數(shù)頁中的各項用來定義模擬I/O點的報警特征。具有報警死區(qū)（DEADBAND）設定、報警優(yōu)先級設定、變化率報警、偏差報警等功能。數(shù)據(jù)連接模擬I/O點的數(shù)據(jù)連接頁中的各項用來定義模擬I/O點數(shù)據(jù)連接過程。模擬及數(shù)字I/O點的具體參數(shù)設置如圖所示。 I/O模擬點參數(shù)設置在設置完模擬I/O點后，我們需要對界面進行腳本程序的編輯。組態(tài)軟件的腳本程序提供了一個類Basic語言的編程工具，稱為腳本編輯器，腳本提供大量的函數(shù)和邏輯、算術(shù)算符供使用者調(diào)用，以擴充組態(tài)軟件的處理能力，增強其功能。用腳本編輯器編制的一段程序可以由事件觸發(fā)調(diào)用，可以周期性地執(zhí)行，也可以規(guī)定在一定條件下執(zhí)行，使用靈活，適合一些復雜的應用。最后，需要對界面的按鈕、動畫效果進行設計。界面上方的分界面按鈕通過display(“窗口”)函數(shù)可以實現(xiàn)，污水流向的指示箭頭我們希望它在系統(tǒng)工作時進行閃爍，通過動畫連接設置，(動畫連接建立畫面中圖形對象與數(shù)據(jù)變量或表達式的對應關(guān)系。建立了動畫連接后，當圖形界面運行程序View啟動并將組態(tài)數(shù)據(jù)裝入計算機內(nèi)存后, 圖形對象的動畫屬性可以根據(jù)數(shù)據(jù)變量或表達式的變化，按動畫連接的要求進行改變。)如圖所示。這樣，一個界面的設置基本完成，以下界面設計方法相同，在所有界面設計完成后進行調(diào)試、達到預定要求。 動畫連接設置 鼓風機、脫水機房界面鼓風機房主要用于為氧化池的好氧反應部分及曝氣沉淀池提供空氣，促進氧化反應。鼓風機房的控制主要是通過對鼓風機的控制，實現(xiàn)對出風口總空氣流量和壓力的控制，并供給氧化池和沉淀池壓力和風量恒定的空氣。鼓風機房的常規(guī)控制主要是根據(jù)操作人員的習慣和經(jīng)驗進行控制，分為自動控制和手動控制。自動控制按時間控制，運行時間和停機時間都可有上位機進行設定，上位機設定鼓風機的轉(zhuǎn)速。鼓風機轉(zhuǎn)速的控制并不是一下就加到一定轉(zhuǎn)速，而是通過程序逐漸進行加速的，通過程序來實現(xiàn)輸出的控制轉(zhuǎn)速電壓的逐漸變化，以達到鼓風機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)過渡?？刂骑L機的啟動/停止的溶氧數(shù)據(jù)是由PLC設定的，根據(jù)時間優(yōu)先的原則按循環(huán)順序啟動風機。在風機油箱內(nèi)設油溫檢測儀，控制冷卻風扇運行。當油溫高于PLC上限設定值時，如油溫繼續(xù)上升，應觸發(fā)報警，并停止鼓風機運行。污泥脫水間主要用于污泥的干燥處理，它是根據(jù)污泥貯池中的污泥量進行啟停控制的。當污泥貯池在低于定值時，脫水機停止工作，當水位高于定值時，脫水機啟動。該界面由兩部分組成，上方的鼓風機房和下方的脫水機房。在機器的旁邊顯示當前機器的工作參數(shù)、狀態(tài)，同時設置了控制機器的按鈕(手動、自動、停止及加減速)。 鼓風機、脫水機房界面 沉淀池、氧化池界面沉砂池由一系列設備組成，其中包括攪拌機、空壓機、出水電動蝶閥、吸沙泵、洗砂泵及砂水分離器等。沉砂池內(nèi)部的砂水分離器的啟停，可由現(xiàn)場控制柜或中央控制室的上位機進行遠程控制，也可以根據(jù)長期對積砂情況的判定經(jīng)驗，在PLC上進行程序設定，使吸砂泵定時運行。氧化溝的控制主要針對溶解氧量，根據(jù)氣水比按按污水量控制鼓風機開啟臺數(shù)。確定鼓風機開啟臺數(shù)以后，根據(jù)生化池溶解氧的測定值，利用PID控制算法控制電動調(diào)節(jié)閥開啟角度從而達到各送風管道風量的調(diào)節(jié)使氧化溝各廊道溶氧達到預定值。當污水中污染負荷增高時，按氣水比確定的風機運行臺數(shù)滿足不了生化池溶解氧最低值時，還可以根據(jù)溶解氧值增加風機運行臺數(shù)。該界面由畫面上部分的曝氣沉淀池、二沉池和下方的氧化溝組成。顯示的構(gòu)筑物參數(shù)有溶氧量和水位。在沉淀池左側(cè)設置了刮泥機的啟停按鈕，方便手動控制刮泥機。氧化溝的控制主要以PLC自動控制為主，配合鼓風機房實現(xiàn)氧化溝的作用。界面如圖所示。 沉淀池、氧化溝界面 各泵房狀態(tài) 進水泵房負責檢測粗、細格柵前后的液位及設備的故障工況；采集泵房內(nèi)水泵運行工況、液位及工藝參數(shù)；手動/自動控制粗、細格柵等設備的運行，并根據(jù)泵的運行時間，先后開啟泵水機組。進水泵房設有潛水泵(提升泵)，主要用來把粗格柵間流出的污水提升到格柵間，從而使污水進入下一個工藝環(huán)節(jié)。需要測量和控制的是提升水泵的運行狀態(tài)以及啟停控制。控制方案可采用潛水泵的啟動和停止由PLC根據(jù)泵池內(nèi)液位進行。超聲波液位計測得的液位值來實現(xiàn)泵池內(nèi)液位的控制。當水位升高時，控制水泵依次逐臺啟動，當水位降低時，控制水泵依次逐臺停止，順序與之相反。水泵在運行過程中同時自動累積水泵運行時間，實現(xiàn)水泵的自動輪值，保證水泵總是處于最佳運行狀態(tài)。當水位降低到干運轉(zhuǎn)保護水位時，水泵全停。泵池的最高液位、最低液位均可以通過PLC設置數(shù)據(jù)。即可手動控制也可自動控制，自動控制收運行累計時間和集水井液位的控制。 污泥回流泵房和提升泵房工作原理相似。 界面模擬實際情況，在進水泵房和污泥回流泵房分別設置四個泵，在泵旁邊仍然顯示泵的工作狀態(tài)及參數(shù)，同時設置了控制泵的按鈕(關(guān)閉、手動、